高场快速冷却脉冲磁体设计与实现工艺研究

摘要

强磁场作为一种极端的科学实验条件，在材料科学、生物医学、物理学等领域有着非常重要的应用。强磁场又可以分为稳态强磁场和脉冲强磁场。脉冲磁场由于磁场脉宽短，磁体功耗和发热问题得到很大程度的缓解，再加上其分析设计相对简单、成本低廉、操作容易、维护简单，因此得到了迅速的发展，成为了现代科学研究中重要的实验工具之一，各种依托于脉冲强磁场背景的科学实验得到了飞速发展。随着这些科学研究的深入和发展，对于脉冲强磁场技术提出了更高更新的要求，其中，高重复频率已越来越成为脉冲磁场技术发展的重要趋势，而脉冲磁体在这样条件下，工作情况更加复杂，因此迫切需要开展这方面的研究。 本文围绕着高场强和高重复频率的研究目标，对磁体开展力学和热学方面的研究：首先比较分析了已有磁体的优缺点，确定课题最终的多螺旋磁体方案。随后从磁体的力学性能出发，以磁体受力最为严重的峰值磁场为分析目标，探讨了如何使磁体的应力分布更加均匀，并提出了轴向电磁载荷的调控方法。 在磁体的热学行为研究方面，重点分析了磁体的温度分布及变化规律，并与传统磁体的绝热过程比较，分析了自由分离结构下全金属加固的多螺旋磁体的冷却性能，结果表明其满足对于磁场高重频的要求。 研制了磁体试件，解决了磁体制造过程中的关键工艺，并对试件进行了力、热、电磁等多方面系统的测试对实验结果进行了分析，对未来工作提出了展望。

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摘 要

Abstract

目 录

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 脉冲磁体技术国内外研究现状

1.3 本课题的提出与章节安排

1.3.1 课题提出

1.3.2 章节安排

2 高重频高场强脉冲磁体方案研究

2.1 常用脉冲磁体结构

2.1.1 绕线式磁体

2.1.2 Bitter磁体

2.1.3 Polyhelix磁体

2.2 脉冲磁体方案的确定

2.3 本章小结

3 磁体力学特性分析

3.1 引言

3.2 磁体力学性能的静态分析

3.2.1 材料力学性能参数

3.2.2 峰值磁场时的力学计算与分析

3.3 磁体轴向电磁力调控

3.3.1 磁体结构对轴向电磁载荷的控制

3.3.2 端部回线对轴向电磁载荷的控制

3.3.2 加固层结构对轴向电磁载荷的控制

3.4 本章小结

4 磁体热学特性分析

4.1 脉冲磁体的放电过程

4.2 脉冲磁体的热过程

4.3 多螺旋磁体磁体热过程计算

4.4 本章小结

5 试件加工工艺及实验结果分析

5.1 试件加工工艺研究

5.1.1 材料的复合工艺

5.1.2 多螺旋结构的加工

5.1.3 磁体单元的装配

5.1.4 绝缘工艺

5.1.5 试件电极

5.2 试件实验及结果分析

5.2.1 试件冷却性能测试

5.2.2 试件放电实验测试

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 未来工作展望

致 谢

参考文献